自攀爬幕墙清洗机器人控制系统设计

3．2 传感器配置

系统采用多种传感器,用以检测机器人与环境之间的相对状态和本体的运动情况。控制器通过对距离、材质、障碍物、位移等传感器信号的综合处理分析(融合),实现运动定位,完成局部自主智能控制,保证有效擦洗和流畅运动。

机器人外传感器的配置与工作环境直接相关。建筑物上的外部信息主要有铝导轨、滑动导杆、装饰灯、高大障碍物、大面积污物、少量水渍等几种。针对作业的实际要求,由于采用了攀爬式机构形式,除前后俯仰调节支撑外,机器人框架与壁面为非接触状态,诸如装饰灯之类的障碍物对机器人作业不造成影响。少量水渍对擦洗不会造成不良效应,而污物和灰尘是擦洗作业的直接目标。因此系统处理的外部信息主要是铝导轨、滑动导杆和高大障碍物,通过对这三种障碍的检测,经过控制器的处理完成对工作环境的几何重构。控制系统中对于高大障碍的检测采用接触开关和光电传感器,对于铝导轨、滑动导杆和悬空的检测采用超声传感器和CCD摄像头。另外CCD摄像头通过无线图像传输的方法使操作人员实时了解机器人作业的全局状态,以便进行必要干预。

内传感器用于测量机器人自身状态。位移传感器采用增量式编码器,并利用控制板卡上通道采用中断方式输入;各种运动极限状态的检测采用接近开关。能源部分是本系统中不可或缺的组成部分,国家大剧院结构巨大,且建筑物纬线方向存在障碍物,如拖曳的电缆必然造成电缆长度长、重量重、易损坏、并有可能对建筑物表面造成污染和划伤。因此选用锂电池作为机器人能源,其具有清洁、方便、储能效率较高、重量轻等优点,因此在检测系统中还增加电源监测部分。 4机器人控制软件

机器人的工作过程分为自检、初始化、作业、信息反馈四个部分,软件结构如图4所示。



运动规划和操作管理部分根据上层规划的要求和准确的局部环境信息,在对作业环境信息综合性判断的基础上作出决策,选择出响应环境状态最合理的轨迹来进行合成,对运动模块进行调用。传感器检测信息所提供的局部环境模型是选择或调度的判断依据。运动控制采用模块化设计,运动模块之间相对独立。每个模块可以独立地被编码、测试、排错或修改,从而使复杂的工作简化。机器人完成任务所需的所有运动,均可由基本动作模块按照一定的逻辑关系组合而成。在规划结束后软件进入输出驱动控制阶段,具体分配、执行和管理动作序列,并最终形成各种状态信息,这些信息作为故障诊断与处理的依据。在系统进行处理的同时,将所有操作结果输出给操作盒并进行可视化。

5 结论

本文介绍了国家大剧院幕墙清洗作业机器人的控制系统结构、控制器及硬件组成、软件结构特点等方面的内容。通过工程实验使用表明其可靠性较高,性能良好,作业安全。